Преобразовать JPEGs в JXLs

JPEG, что расшифровывается как Joint Photographic Experts Group, является широко используемым методом с потерями для сжатия цифровых изображений, особенно для тех изображений, которые создаются цифровой фотографией. Степень сжатия можно регулировать, что позволяет выбирать компромисс между размером хранилища и качеством изображения. JPEG обычно достигает сжатия 10:1 с незначительной заметной потерей качества изображения. Алгоритм сжатия JPEG лежит в основе формата файла JPEG, который формально известен как JPEG Interchange Format (JIF). Однако термин «JPEG» часто используется для обозначения формата файла, который на самом деле стандартизирован как JPEG File Interchange Format (JFIF).

Формат JPEG поддерживает различные цветовые пространства, но наиболее распространенным, используемым в цифровой фотографии и веб-графике, является 24-битный цвет, который включает 8 бит для каждого из компонентов красного, зеленого и синего (RGB). Это позволяет использовать более 16 миллионов различных цветов, обеспечивая насыщенное и яркое качество изображения, подходящее для широкого спектра приложений. Файлы JPEG также могут поддерживать изображения в оттенках серого и цветовые пространства, такие как YCbCr, которое часто используется при сжатии видео.

Алгоритм сжатия JPEG основан на дискретном косинусном преобразовании (DCT), которое является типом преобразования Фурье. DCT применяется к небольшим блокам изображения, обычно 8x8 пикселей, преобразуя данные пространственной области в данные частотной области. Этот процесс выгоден, поскольку он имеет тенденцию концентрировать энергию изображения в нескольких низкочастотных компонентах, которые более важны для общего вида изображения, в то время как высокочастотные компоненты, которые вносят вклад в мелкие детали и могут быть отброшены с меньшим влиянием на воспринимаемое качество, уменьшаются.

После применения DCT результирующие коэффициенты квантуются. Квантование - это процесс отображения большого набора входных значений в меньший набор, что эффективно снижает точность коэффициентов DCT. Именно здесь вступает в игру аспект JPEG с потерями. Степень квантования определяется таблицей квантования, которую можно отрегулировать для баланса качества изображения и коэффициента сжатия. Более высокий уровень квантования приводит к более высокому сжатию и более низкому качеству изображения, в то время как более низкий уровень квантования приводит к более низкому сжатию и более высокому качеству изображения.

После квантования коэффициенты сериализуются в зигзагообразном порядке, начиная с верхнего левого угла и следуя зигзагообразному шаблону через блок 8x8. Этот шаг предназначен для размещения низкочастотных коэффициентов в начале блока и высокочастотных коэффициентов ближе к концу. Поскольку многие из высокочастотных коэффициентов, вероятно, будут равны нулю или близки к нулю после квантования, этот порядок помогает дополнительно сжать данные, группируя похожие значения вместе.

Следующим шагом в процессе сжатия JPEG является энтропийное кодирование, которое является методом сжатия без потерь. Наиболее распространенной формой энтропийного кодирования, используемой в JPEG, является кодирование Хаффмана, хотя также возможна арифметическое кодирование. Кодирование Хаффмана работает путем назначения более коротких кодов более частым значениям и более длинных кодов менее частым значениям. Поскольку квантованные коэффициенты DCT упорядочены таким образом, что группируются нули и низкочастотные значения, кодирование Хаффмана может эффективно уменьшить размер данных.

Формат файла JPEG также позволяет хранить метаданные в файле, такие как данные Exif, которые включают информацию о настройках камеры, дате и времени съемки и другие соответствующие сведения. Эти метаданные хранятся в специфичных для приложения сегментах файла JPEG, которые могут быть прочитаны различным программным обеспечением для отображения или обработки информации об изображении.

Одной из ключевых особенностей формата JPEG является поддержка прогрессивного кодирования. В прогрессивном JPEG изображение кодируется в несколько проходов с возрастающей детализацией. Это означает, что даже если изображение не было полностью загружено, можно отобразить черновую версию всего изображения, которая постепенно улучшается по мере получения большего количества данных. Это особенно полезно для веб-изображений, позволяя пользователям получить представление о содержимом изображения, не дожидаясь загрузки всего файла.

Несмотря на широкое распространение и множество преимуществ, формат JPEG имеет некоторые ограничения. Одним из наиболее существенных является проблема артефактов, которые представляют собой искажения или визуальные аномалии, которые могут возникать в результате сжатия с потерями. Эти артефакты могут включать размытие, блочность и «звон» вокруг краев. Видимость артефактов зависит от уровня сжатия и содержимого изображения. Изображения с плавными градиентами или тонкими цветовыми переходами более склонны к появлению артефактов сжатия.

Еще одним ограничением JPEG является то, что он не поддерживает прозрачность или альфа-каналы. Это означает, что изображения JPEG не могут иметь прозрачный фон, что может быть недостатком для определенных приложений, таких как веб-дизайн, где наложение изображений на разные фоны является обычным делом. Для этих целей часто используются такие форматы, как PNG или GIF, которые поддерживают прозрачность.

JPEG также не поддерживает слои или анимацию. В отличие от таких форматов, как TIFF для слоев или GIF для анимации, JPEG является строго одноизображенным форматом. Это делает его непригодным для изображений, требующих редактирования в слоях, или для создания анимированных изображений. Пользователи, которым необходимо работать со слоями или анимацией, должны использовать другие форматы во время процесса редактирования, а затем при необходимости конвертировать в JPEG для распространения.

Несмотря на эти ограничения, JPEG остается одним из самых популярных форматов изображений благодаря эффективному сжатию и совместимости практически со всем программным обеспечением для просмотра и редактирования изображений. Он особенно хорошо подходит для фотографий и сложных изображений с непрерывными тонами и цветами. Для использования в Интернете изображения JPEG можно оптимизировать для баланса качества и размера файла, что делает их идеальными для быстрой загрузки, при этом обеспечивая визуально приятные результаты.

Формат JPEG также развивался с течением времени с появлением таких вариаций, как JPEG 2000 и JPEG XR. JPEG 2000 обеспечивает улучшенную эффективность сжатия, лучшую обработку артефактов изображения и возможность обработки прозрачности. JPEG XR, с другой стороны, обеспечивает лучшее сжатие при более высоких уровнях качества и поддерживает более широкий диапазон цветовых глубин и цветовых пространств. Однако эти новые форматы еще не достигли того же уровня повсеместного распространения, что и оригинальный формат JPEG.

В заключение, формат изображения JPEG является универсальным и широко поддерживаемым форматом, который обеспечивает баланс между качеством изображения и размером файла. Его использование DCT и квантования позволяет значительно уменьшить размер файла с настраиваемым влиянием на качество изображения. Хотя у него есть некоторые ограничения, такие как отсутствие поддержки прозрачности, слоев и анимации, его преимущества с точки зрения совместимости и эффективности делают его основным элементом цифровой обработки изображений. По мере развития технологий новые форматы могут предложить улучшения, но наследие JPEG и его широкое распространение гарантируют, что он останется фундаментальной частью цифровой обработки изображений в обозримом будущем.

Формат изображения JPEG XL (JXL) — это стандарт кодирования изображений нового поколения, который призван превзойти возможности существующих форматов, таких как JPEG, PNG и GIF, обеспечивая превосходную эффективность сжатия, качество и функции. Он является результатом совместных усилий комитета Объединенной группы экспертов по фотографии (JPEG), который сыграл важную роль в разработке стандартов сжатия изображений. JPEG XL разработан как универсальный формат изображений, который может обрабатывать широкий спектр вариантов использования, от профессиональной фотографии до веб-графики.

Одной из основных целей JPEG XL является обеспечение высококачественного сжатия изображений, которое может значительно уменьшить размер файлов без ущерба для визуального качества. Это достигается за счет сочетания передовых методов сжатия и современной структуры кодирования. Формат использует модульный подход, позволяющий включать различные операции обработки изображений, такие как преобразование цветового пространства, тоновое отображение и адаптивное изменение размера, непосредственно в конвейер сжатия.

JPEG XL создан на основе двух предыдущих кодеков изображений: PIK от Google и FUIF (Free Universal Image Format) от Cloudinary. Эти кодеки внедрили несколько инноваций в сжатие изображений, которые были дополнительно усовершенствованы и интегрированы в JPEG XL. Формат разработан как не требующий лицензионных отчислений, что делает его привлекательным вариантом как для разработчиков программного обеспечения, так и для создателей контента, которым требуется экономичное решение для хранения и распространения изображений.

В основе эффективности сжатия JPEG XL лежит использование современной техники энтропийного кодирования, называемой асимметричными числовыми системами (ANS). ANS — это форма арифметического кодирования, которая обеспечивает почти оптимальные коэффициенты сжатия за счет эффективного кодирования статистического распределения данных изображения. Это позволяет JPEG XL достичь лучшего сжатия, чем традиционные методы, такие как кодирование Хаффмана, которое используется в исходном формате JPEG.

JPEG XL также вводит новое цветовое пространство под названием XYB (eXtra Y, Blue-yellow), которое разработано для лучшего соответствия человеческому зрительному восприятию. Цветовое пространство XYB обеспечивает более эффективное сжатие за счет приоритизации компонентов изображения, которые более важны для человеческого глаза. В результате получаются изображения, которые не только имеют меньший размер файла, но и демонстрируют меньше артефактов сжатия, особенно в областях с тонкими цветовыми вариациями.

Еще одной ключевой особенностью JPEG XL является поддержка изображений с высоким динамическим диапазоном (HDR) и широкой цветовой гаммой (WCG). По мере развития технологий отображения растет спрос на форматы изображений, которые могут обрабатывать расширенный диапазон яркости и цвета, который могут воспроизводить эти новые дисплеи. Собственная поддержка HDR и WCG в JPEG XL гарантирует, что изображения будут выглядеть яркими и реалистичными на новейших экранах без необходимости дополнительных метаданных или дополнительных файлов.

JPEG XL также разработан с учетом прогрессивного декодирования. Это означает, что изображение может отображаться с более низким качеством, пока оно еще загружается, и качество может постепенно улучшаться по мере поступления дополнительных данных. Эта функция особенно полезна для просмотра веб-страниц, где у пользователей может быть разная скорость интернета. Она обеспечивает лучший пользовательский интерфейс, предоставляя предварительный просмотр изображения без необходимости ждать загрузки всего файла.

С точки зрения обратной совместимости JPEG XL предлагает уникальную функцию, называемую «пересжатие JPEG». Это позволяет пересжимать существующие изображения JPEG в формат JPEG XL без дополнительной потери качества. Пересжатые изображения не только имеют меньший размер, но и сохраняют все исходные данные JPEG, что означает, что при необходимости их можно преобразовать обратно в исходный формат JPEG. Это делает JPEG XL привлекательным вариантом для архивирования больших коллекций изображений JPEG, поскольку он может значительно сократить требования к хранилищу, сохраняя при этом возможность возврата к исходным файлам.

JPEG XL также решает проблему адаптивных изображений в Интернете. Благодаря возможности хранить несколько разрешений изображения в одном файле веб-разработчики могут предоставлять наиболее подходящий размер изображения в зависимости от устройства пользователя и разрешения экрана. Это устраняет необходимость в отдельных файлах изображений для разных разрешений и упрощает процесс создания адаптивных веб-дизайнов.

Для профессиональных фотографов и графических дизайнеров JPEG XL поддерживает сжатие без потерь, что гарантирует сохранение каждого бита исходных данных изображения. Это имеет решающее значение для приложений, в которых целостность изображения имеет первостепенное значение, таких как медицинская визуализация, цифровые архивы и профессиональное редактирование фотографий. Режим без потерь JPEG XL также отличается высокой эффективностью, часто приводя к уменьшению размера файла по сравнению с другими форматами без потерь, такими как PNG или TIFF.

Набор функций JPEG XL расширяется и включает поддержку анимации, аналогичную форматам GIF и WebP, но с гораздо лучшим сжатием и качеством. Это делает его подходящей заменой GIF в Интернете, обеспечивая более плавную анимацию с более широкой цветовой палитрой и без ограничений GIF в 256 цветов.

Формат также включает надежную поддержку метаданных, включая профили EXIF, XMP и ICC, гарантируя, что важная информация об изображении сохраняется во время сжатия. Эти метаданные могут включать такие сведения, как настройки камеры, информация об авторских правах и данные управления цветом, которые необходимы как для профессионального использования, так и для сохранения цифрового наследия.

Безопасность и конфиденциальность также учитываются при разработке JPEG XL. Формат не допускает включения исполняемого кода, что снижает риск уязвимостей безопасности, которые могут быть использованы через изображения. Кроме того, JPEG XL поддерживает удаление конфиденциальных метаданных, что может помочь защитить конфиденциальность пользователей при обмене изображениями в Интернете.

JPEG XL разработан как перспективный формат с гибким контейнерным форматом, который можно расширить для поддержки новых функций и технологий по мере их появления. Это гарантирует, что формат сможет адаптироваться к изменяющимся требованиям и продолжать служить универсальным форматом изображений в течение многих лет.

С точки зрения внедрения JPEG XL все еще находится на ранних стадиях, и продолжаются усилия по интеграции поддержки в веб-браузеры, операционные системы и программное обеспечение для редактирования изображений. По мере того как все больше платформ будут внедрять этот формат, ожидается, что он получит распространение в качестве замены более старых форматов изображений, предлагая сочетание улучшенной эффективности, качества и функций.

В заключение, JPEG XL представляет собой значительный шаг вперед в технологии сжатия изображений. Его сочетание высокой эффективности сжатия, поддержки современных функций обработки изображений и обратной совместимости делает его сильным кандидатом на роль нового стандарта для хранения и передачи изображений. По мере того как формат получает более широкое распространение, он может изменить способ создания, обмена и потребления цифровых изображений, сделав их более доступными и приятными для всех.